木材高温热处理技术研究进展

赫 亮

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

木材作为一种天然可再生的环境友好型材料，因其具有优良的环境学视觉特性及其优异的力学性能和可加工性能，近年来一直深受人们喜爱，在生产生活和社会经济建设方面发挥着不可替代的作用。但木材某些自身固有属性限制了其应用范围，例如易发生吸湿膨胀、干燥开裂变形及生物侵害腐朽等。为提高木材材性及其多功能性附加值，实现劣材优用，剩材再用，拓宽其应用领域，就必须对木材进行改性处理，达到木材高效利用的目的。较常用的木材改性方法主要有化学改性和物理改性两种方式，而木材物理改性过程中不需要添加任何化学药剂，产生的污染少且处理工艺简单，处理后的木材更不会对人和居住环境产生任何危害[1]，如今正以其独有的特点赢得更多研究者的青睐，研究日趋深化。高温热处理技术是木材物理改性常用的有效手段之一，在功能上赋予木材良好的尺寸稳定性、生物耐久性及改善木材的声学性能等，具有较为广阔的应用前景，同时也是人工林速生材和普通木材一种有效的改性增值手段，对我国木材加工行业的发展具有较为重要的意义。本文着重阐述高温热处理改性木材的性能变化，简述其改性机理，最后对木材高温热处理技术的研究应用进行了总结与展望。

1 热处理木材性能研究进展

1.1 物理力学性能

在高温热处理改性木材的过程中，木材细胞壁组分中的半纤维素、纤维素和木质素会发生重组排列或者热降解反应，从而对木材的物理力学性能指标产生不同程度的影响，其中木材的抗弯强度受高温热处理改性的影响最为显著。总体来说，木材抗弯强度随高温热处理改性程度的增加而逐渐呈现出下降的趋势。Kubojima等[2]研究了不同导热介质下云杉高温热处理后的抗弯强度，发现杨氏弹性模量、抗弯强度和冲击强度在热处理前期呈现上升趋势，后期逐渐降低，在空气介质中的热处理材，其力学性能指标要比在氮气中下降的更多，氮气介质能够更好地保护热处理材的冲击韧性。黄荣凤等[3]研究不同处理时间-温度对毛白杨物理力学性能影响时发现，热处理温度185 ℃，处理时间300 min时，抗胀缩率可以提高20%以上，MOR的损失率低于10%。与热处理材的其他力学性能相比，处理材的硬度指标没有受到太大的影响，相反处理后还略有上升。合适的热处理条件会显著提高木材的弹性模量，使木材拥有更高的刚性，热处理后木材的顺纹抗压强度同样会有所上升[4]。

1.2 尺寸稳定性

热处理温度影响处理材的尺寸稳定性，当高温热处理温度大于200 ℃时，木材尺寸稳定性受温度的影响最为显著[5]。高温热处理改性木材的尺寸稳定性有较大程度的提高，这主要是因为木材经过高温热处理后，内部的生长应力和干燥应力部分被除去或得到了缓和，且木材细胞壁组分半纤维素，尤其是多糖醛苷将发生裂解反应，形成具有吸湿性能较弱的单体，在高温少氧的环境中，这些小分子物质可聚合形成不溶于水的聚合物，从而显著降低木材的吸湿性及提高木材的尺寸稳定性。同时，高温热处理后，木材组分中的半纤维素含量会明显减少，亲水性的羟基基团也会随之降低，从而降低了木材的吸湿性。Navi等[6]在高温热改性木材的过程中同时对其进行压缩密实化处理，处理材的吸湿性能降低，机械强度及其耐久性提高。Petrissans等[7]对热处理材的吸湿性能进行了研究，发现热处理材的接触角变大，疏水性能有了很大程度的提高。Repellin等[8]研究了热处理后木材的湿胀性能，发现热处理材湿胀性减少，不仅仅归因于半纤维素降解而导致半纤维素吸附点减少，木素的化学变化也是木材湿胀性减少的重要原因。Tjeerdsma等[9]利用FTIR分析热处理后山毛榉和马尾松成分的化学变化发现，高温热处理导致半纤维素发生降解，乙酰基团断裂形成乙酸，乙酸可进一步加速半纤维素水解形成多糖物质，亲水性的羟基含量减少。

1.3 材色变化

高温热处理会使木材的明度降低，颜色加深。对于材色较浅的毛白杨、马尾松、落叶松、樟子松等木材，高温热处理是改变木材材色的重要技术方法，热处理后木材的材色呈现咖啡色，甚至是深褐色，可满足市场对深色系木材产品的需求。人工林落叶松热处理温度210 ℃、热处理时间 6 h后材色均匀加深，趋近于珍贵材交趾黄檀的颜色，提高了低质人工林松木材的视觉特性[10]。对于原来材色鲜艳、彩色程度高的树种，热处理后材色向低明度和偏红方向变化，饱和度降低[11]。高温热处理工艺显著影响木材的材色变化，随着处理温度的升高和处理时间的延长，木材颜色的变化也更加明显，部分木材显现出接近热带木材的微观特征。高温热处理木材的材色稳定性与材种有直接关系，一般针叶材的材色稳定性优于阔叶材。梅瑞仙[12]利用热处理方法研究了木材表面纹理的强化工艺，发现影响最大的因素是热处理温度，其次是处理剂使用的浓度和热处理时间。高温热处理改变木材材色的机理一方面因为热处理使得木材半纤维素、木质素中的羰基、苯环、紫丁香基丙烷及醚键等发色基团数量增多，对可见光吸收增加，从而木材颜色加深[13]；另一方面高温热处理过程中木材抽提物的挥发或流失也导致木材材色变化。

2 高温热处理木材机理

2.1 半纤维素

半纤维素在高温热处理过程中的变化是形成热处理材特有材性的决定性因素。半纤维素是木材细胞壁纤维素骨架和木质素填充物之间的主要粘结物质。当高温热处理温度接近160 ℃时，木材细胞壁化学组分中的半纤维素首先开始发生热降解反应，分子链中的乙酰基首先会从主链中发生断裂反应形成乙酸物质，葡萄糖醛酸聚木糖分子上的少量羧基也会发生断裂反应生成甲酸等物质，乙酸和甲酸这两种物质是木材高温热处理改性过程中的主要挥发性物质，它们在降解断裂过程中形成的酸性环境将会对半纤维素的水解产生极大的促进作用，可作为催化剂加速半纤维素水解形成更多的糖类物质。随高温热处理改性温度的不断升高，木材细胞壁中的半纤维素分子会发生降解反应生成低聚糖甚至某些单糖分子，单糖分子又可以通过脱水缩合反应生成某些醛类物质，180 ℃的饱和蒸汽处理条件下，半纤维素中的阿拉伯糖和半乳糖可以完全发生分解。

2.2 纤维素

木材细胞壁中的纤维素是具有长分子链的骨架结构。由于高温热处理过程中木材细胞壁组分中的半纤维素发生了热降解反应，以及纤维素准结晶区的部分分子发生了重新排列而进一步结晶化，导致高温热处理后木材细胞壁中纤维素的结晶度有所增加[14]。纤维素中的微纤丝在高温热处理过程中可能会因半纤维素组分的降解而相互聚集，聚集后的微纤丝断面尺寸更大，具有更高的刚性，这是高温热处理改性木材在短时间的温和条件下物理力学性能提高的主要原因之一。

2.3 木质素

虽然木材细胞壁化学组分中的木质素在高温热处理改性过程中没有明显的发生热降解反应，但木质素的化学结构在高温热处理过程中也发生了部分重组排列。细胞壁木质素的部分化学键，特别是芳香基醚键也会发生断裂反应生成自由酚羟基、α或β羰基。相关研究认为木质素苯环间以亚甲基相联进行缩合后形成了更加稳定的网状结构，这会使木材的刚性有所加强，从而抑制了木材细胞壁的膨胀。

3 总结与展望

高温热处理改性是木材高效增值利用的有效手段之一，它在维持木材尺寸稳定性、生物耐久性和声学性能方面具有较好的改善作用，木材高温热处理改性可以极大地拓宽人工林木材的使用范围，实现人工林木材的高效增值利用。从国内外研究现状看，高温热处理研究主要集中在热处理工艺及其对木材性能的影响和作用机理，部分学者研究了多种方式联合热处理木材工艺，例如联合增强、弱酸处理、防水剂浸渍、超声等木材改性手段，进一步提高木材性能。在倡导生态绿色循环利用可持续发展的今天，无化学成分添加且色泽优雅的高温热处理材已经成为木材功能化改性的重点研究内容之一，建议今后的科研结构及企业在以下几个方面进行进一步探索，着力提高木材的功能性附加值。

(1)考虑到树种的多样化及复杂性，未来高温热处理技术应该扩大树种的选择范围，不应该仅仅局限于常用的树种，还应该更多地实现热处理产品的多样化。

(2)寻求热稳定性好且价格低廉的导热媒质，降低高温热处理改性成本，节约能源，带来更多的经济效益。

(3)综合利用各种微观分析仪器，进一步探究高温热处理技术的改性机理，优化高温热处理改性工艺，提高热处理材的质量，并且建立热处理材的统一评价标准，规范热处理产品市场。

(4)高温热处理过程中挥发性有机物的释放水平远高于常规干燥，在进行高温热处理材改性的同时，配备废气污染净化处理吸收装置，以防止有机挥发性物释放而污染空气，危害人体健康。